Konsolidierungsmaßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in Lagengrenzbereichen der 3D Skelett Wickeltechnik

Mittels rotationssymmetrischer Faserwickeltechnologien hergestellte Bauteile aus thermoplastischen Faserverbundkunststoffen bieten die Vorteile hoher mechanischer Belastbarkeit bei geringer Masse. Das Aufnehmen von Kräften übernehmen in Matrix eingebettete Endlosfasern, die zuvor im Herstellungsprozess als imprägnierte Wicklungen auf einen Rotationskörper mit einem Wickelkern, einen sogenannten Mandrel, abgelegt wurden. Nach dem Erstarren der Matrix sind die Wicklungen im Lagengrenzbereich miteinander verschweißt und formen ein gewickeltes Bauteil entsprechend der Kontur des Wickelkerns. Statt auf Wickelkerne kann die Ablage der Wicklungen kernlos auf Lasteinleitungselemente erfolgen, sodass Bauteile in Form von Schlaufen entstehen. Mit der 3D Skelett Wickeltechnik (3DSW) am Fraunhofer ICT wurden in dieser Arbeit generische Schlaufen aus endlosfaserverstärkten Thermoplasten hergestellt und die Lagengrenzflächenfestigkeit zwischen den Wicklungen untersucht. Bei Lastaufnahme ist die Aufgabe des Lagengrenzbereichs das Leiten von Kräften zwischen den Wicklungen einer Schlaufe. Liegt im Lagengrenzbereich eine reduzierten Lagenanhaftung vor, tritt ein vorzeitiges Versagen der Matrix zwischen den Wicklungen ein, anstelle von Faserbruch. In diesem Fall ist die mechanische Belastbarkeit der Schlaufe stark eingeschränkt. Das verfolgte Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Konsolidierungsmaßnahmen, die eine Erhöhung der Lagenanhaftung bewirken und das Grenzschichtversagen reduzieren. Die Konsolidierungsmaßnahmen wurden anhand ermittelter Einflussfaktoren auf die Lagenanhaftung aufgebaut: Der Kontaktfläche und der Kontakttemperatur zwischen den Wicklungen während des Verschweißens. Nach der Herstellung konsolidierter Schlaufen mit einer vergrößerten Kontaktfläche und einer gesteigerten Kontakttemperatur wurde in Zugversuchen ihre mechanischen Belastbarkeiten bestimmt und die Veränderungen in der Lagenanhaftung interpretiert. Durch die Steigerung der Kontakttemperatur mit den Konsolidierungsmaßnahmen konnte die mechanische Belastbarkeit der Schlaufen erhöht und die Festigkeit der Lagengrenzschicht optimiert werden. Die Erhöhung der Lagenanhaftung reduzierte die Häufigkeit von vorzeitigem Grenzschichtversagen zugunsten des Versagens durch Faserbruch. Die Anwendung der Konsolidierungsmaßnahmen zur Vergrößerung der Kontaktfläche steht im Verdacht Schwachstellen in die Schlaufen einzubringen.